化工原理課程設(shè)計(jì)吸收塔

1、化工原理課程設(shè)計(jì)課 題：設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔設(shè)計(jì)者：干濤學(xué)號(hào):1043082002 .專業(yè)資料.指導(dǎo)老師：曹麗淑目錄第一章設(shè)計(jì)任務(wù)？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?設(shè)計(jì)題目？3?設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件？?？?設(shè)計(jì)內(nèi)容？?？第二章設(shè)計(jì)方案？?？?2.1 設(shè)計(jì)流程的選擇及流程圖？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?第三章填料塔的工藝設(shè)計(jì)?氣液平衡關(guān)系？?？?吸收劑用量？?？?計(jì)算熱效應(yīng)？?？?定塔徑？?？噴淋密度的校核?體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算？?？?填料層高度的計(jì)算?8?附屬設(shè)備的選擇？?第四章設(shè)計(jì)結(jié)果概要？

2、?？?？?.專業(yè)資料.第五章設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)?第一章設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔.專業(yè)資料.設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件（一）氣體混合物1.組成（如表1所示）：組分CO2H2N2CH4COO2進(jìn)塔氣體（V%）10.965.3210.52.20.12.氣體量：4700Nm 3 h.溫度:30 C.壓力：1800KN m2（二）氣體出 口要求（V%） : CO20.63%（三）吸收劑：水設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，其內(nèi)容包括：.目錄.題目及數(shù)據(jù).流程圖.流程和方案的選擇說(shuō)明與論證.吸收塔的主要尺寸的計(jì)算，注明計(jì)算依據(jù)的公式、數(shù)據(jù)的來(lái)源.附屬設(shè)備的選型或計(jì)算.設(shè)計(jì)評(píng)價(jià).設(shè)計(jì)結(jié)果.參考

3、文獻(xiàn).專業(yè)資料.專業(yè)資料.第二章設(shè)計(jì)方案2.1、吸收流程的選擇及流程圖本設(shè)計(jì)混合原料氣溶質(zhì)濃度不高，同時(shí)過(guò)程分離要求不高，選用一種吸收劑（水）一步流程即可完成吸收任務(wù)。由于逆流操作傳質(zhì)推動(dòng)力大，這樣可減少 設(shè)備尺寸，并且能提高吸收率和吸收劑使用效率，故選擇逆流吸收。由于本任 務(wù)吸收后的CO2要用以合成尿素，則需對(duì)吸收后的溶液解吸以得到 CO2,同時(shí)溶劑也可循環(huán)使用貧液氣提氣水吸收CO2工藝流程圖（圖1）1-吸收塔；2-富液泵；3-貧液泵；4-解吸塔第三章填料塔的工藝設(shè)計(jì)氣液平衡關(guān)系由于此操作在高壓下進(jìn)行，高壓環(huán)境對(duì)理想氣體定律有偏差，故需對(duì)壓力進(jìn)行校核：由枇工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論查得CO2的臨界溫度T

4、c=304K,臨界壓力Pc=7.38MPa.專業(yè)資料.則其對(duì)比溫度*高=霽8 =0.9716對(duì)比壓力Pr=匚=8 =0.2200 (Pc+ 8)73.8+8查枇工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖2-4得在此溫度壓力下：逸度系數(shù)丫= 0.92貝(J逸度 f=p 產(chǎn)1800 X0.92=1656KPa查枇工原理下冊(cè)得CO2氣體在30 c時(shí)溶于水的亨利系數(shù) E=188000KPa相平衡常數(shù) m= E =188000 =113.5266 f 1656則可得在此條件下氣液平衡關(guān)系為：、， mX113.5266XY=1+( 1- m)X 1- 112 .5266X吸收劑用量進(jìn)塔CO2摩爾分?jǐn)?shù)：y1二10.9%=0.109進(jìn)

5、塔CO2摩爾比：丫1=彳=三黑 =0.1223I - y11-0.109出塔CO2摩爾分?jǐn)?shù)：y =0.63%=0.00632出塔C。2摩爾比：丫2=*=0.00631 - 0.0063=0.0063混合氣體體積流量：qv=4700N m3/h混合氣體中惰性氣體流量：V=4700X (1-0.109) =186.9509Kmol h.出塔液相濃度最大值:X1 =X 1max =Y1m - (1- m )Y10.1223113.5266 -( 1- 113.5266)=0.00100.1223 - 0.00630.0010=116.0000對(duì)于純水吸收過(guò)程：X2=0則最小液氣比：(L)min=YT

6、VX- X2由L= (1.12)(V)min：.專業(yè)資料.取 Lii=1.3Lmin=1.3 X116.0000 X186.9509=28192.1957Kmol hL2i=1.5Lmin=1.5 X116.0000 X186.9509=32529.4566Kmol hL31=1.8Lmin=1.8 X116.0000 X186.9509=39035.3479Kmol h則由物料衡算公式V(Y1-Y2)=L(X1-X2)：X11 =V( Y1- Y2)L186.9509 X(0.1223- 0.0063)28192 .1957=0.00077V(Y1- Y2)X21= -l-186.9509

7、X (0 .1223 - 0.0063 )32529 .4566X31 =V( Y1- Y2)186.9509 X (0 .1223 - 0.0063 )39035 .3479=0.00067=0.00056以下計(jì)算以第一組數(shù)據(jù)化口,內(nèi)衛(wèi))為例計(jì)算熱效應(yīng)水吸收 CO2 的量：Ga=V(Y1-Y2)=186.9509 X (0.1223-0.0063 ) =21.6863Kmol查枇工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖4-5得CO2的溶解熱q=97Kcal Kg查 枇工原理上冊(cè)附錄5,得水的Cp=4.174KJ /(KgK)貝U由 LX18XCpX &=GA X44XqX4.1821 .6863 X44 X97 X

8、4.1828192 .1957 X18 X4.174=0.1827 C 同理可求得 A 2=0.1583 C, 3=0.1319 Co由于A1, Afe, A 3均小于1C。所以溫度變化不大，故此過(guò)程可視為等溫吸收過(guò)程。確定塔徑a.確定混合氣體的密度.專業(yè)資料.混合氣體平均摩爾質(zhì)量查 枇工原理上冊(cè)附錄4得各組分的臨界壓力Pc與臨界溫度Tc：（如表二所示）CO2H2N2CH4CO02PC(MPa)7.381.303.394.623.505.04Tc (K)30433.3126191133155各組分臨界壓力與臨界溫度（表二）混合氣體的平均摩爾質(zhì)量：M=0.109 義 44+0.653 義 2+0

9、.21 義 28+0.005 義 16+0.022 義 28+0.1 義32=12.7100Kg/Kmol混合氣體假臨界壓Pcm=0.109 X7.38+0.653 X1.30+0.21 X3.39+0.005 X4.62+0.022 X3.50+0.001 義5.04=2.4470MPa混合氣體假臨界溫度：Tcm=0.109 X304+0.653 X 33.3+0.21 X 126+0.005 X191+0.022 X 133+0.001 義155=85.3769K則對(duì)比溫度Tr=二竺氾5 =3.5507Tcm 85.3769.專業(yè)資料.對(duì)比壓力P=5=我0=0.7356由化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖

10、2-1得壓縮系數(shù)Z=1混合氣體密度_ PMPV= ZRT1800 X12.71001 X8.314 X303 .15=9.0772Kg/m 3b.確定填料：選擇塑料鮑爾環(huán)填料，規(guī)格：外徑x高x厚(mm)=38 X38 X1 a干填料因子石=220 m -1 比表面積a=155m 2/m3關(guān)聯(lián)系數(shù)A=0.0942c.計(jì)算泛點(diǎn)空塔氣速Uf:由祀工原理上冊(cè)附錄查得吸收劑水在30 C的液體粘度：比=0.8007mPa s混合氣體質(zhì)量流速：Gv=M V=12.7100 X4700/22.4=2666.8304 Kg/h吸收劑質(zhì)量流速：Glii= M L=18 X28192.1957=507459.522

11、6Kg/h 。同理可求得 Gl2i=585530.2188 Kg/h , GL31=702636.2622Kg/hu2G 0.250.125由 Bain-Hougen 關(guān)聯(lián)式：lgf j,42 =A-1.75 (F)(表)代入數(shù)據(jù)：2lg 粉 2209.0817995 .70 20.8007 =0.0942-1.75 (7521962 .42666 .83040.259.0772 0.125(995.7 )求得：uf1 =0.0785m/s ,同理可求得 uf2=0.0675m/s, uf3=0.0552m/sd.取 U=0.8 uf ,則山=0.8 uf =0.8 X 0.0785=0.06

12、28m/s,同理可得，.專業(yè)資料.u2=O.0540m/s, u3=0.0442m/s該操作條件下氣體體積流量：4700 x(30+273.15)x101 .3253VS=273.15x1800 x3600-=0.0816 m3/S4Vs / 4X0.0816則 D1 = 7 Umin ,同理可得,xXD12995.7X3.14X1.32m m LX 史=382.2039 m3?(m2 h)Umin, U 3=351.1498 m3?(m2 h)/故符合要求。體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算由于傳質(zhì)阻力主要集中在液相，即此過(guò)程為液膜控制過(guò)程，則有Q=kL故此處計(jì)算液相傳質(zhì)系數(shù)kL即可.采用恩田式計(jì)算：液相擴(kuò)

13、散系數(shù)（化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論式2- 36）:Dl =1.173 X10- 13(?m )0.5T 1.173 X10- 13 x M.6X18)05 X303 .15比 Vm0.60.8007 X0.034069= 2.3106 X10 9m2/ s液相流率：Wli =4GLi14X507459 .5226兀 X1.32=382511.9833 Kg/( m2 h),同理可h)得，Wl2=380560.3918 Kg/( m2 h),Wl3 =349639.8598 Kg/( m2.專業(yè)資料.由他工原理附錄知：水在30c時(shí)，水的表面張力 乳=72.6 X10-3N/m = 940896kg/h 2

14、填料材質(zhì)的臨界表面張力_ 32c 33 10 3 36002 c填料總比表面積：at a 155m2/3 .m水的黏度：叱5 .80.07 10 Pa s=2.8825Kg/(m?h)重力加速度：g9.81 36002 127137600 mh2水的密度：pL 二995.7填料濕潤(rùn)表面積0.1aw1 = ? 1 - ?x?- 1.45(5)075(?1)?1?Z-2Z-0.05?12?產(chǎn)=155 X 1 - ?x?- 1.45 x(生吧產(chǎn)5 x(382511.9833) 0.1 940896155x2.88257382511 .9833x155 - 0.05382511.9833202(995

15、.72x127137600)乂 ( 995.7x940896 x155) =127.2645 m2?m3同理可得，2=127.1668 m2?m3, aW3=125.5274 m2?m3由此可得液相傳質(zhì)系數(shù)（參考書(shū)目 式6-46)?1 = kL 0.0095Wl2312lDl13L,9年 04382511 .9833 =0.0095 X( 1272645X2.88252.8825X(995.7 X8.31821:1) 2 (X10 62.8825 X 127137600995.713 x 1.360.4=4.2437? / h同理可得，？?2=4.2315m/h,?3=4.0338m/h即：K

16、 L1 y kL1 , Kl2 y kL2 , Kl3=kL3,又 Cm =ML=99r=55.3167Kmol/m3.專業(yè)資料.總傳質(zhì)系數(shù)：Kx1 = KL1CM = 3.7526 乂翼=234.7475 kmol ?(m2 -h),同理可18Kx2=234.0726 kmol ?(m2 h),Kx3=223.1365 kmol ?(m2 h)填料層高度的計(jì)算1c1212塔的截面積一D2 得：Q1 = -TtD = -ttX1.3 = 1.3267m2,同理，有444Q2=1.5386 m2 ,Q3=2.0096 m2L28192 .1957傳質(zhì)單兀同良：H oL1 = KxawQ = 23

17、4.7475 X127.2645 X1.3267 = 0.71 13m， 同里可得，HoL2=0.7103m , Hl3=0.6935m傳質(zhì)單元數(shù)Nol的計(jì)算：（對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法）由氣液平衡方程Y=與署7,并帶入丫2： ?0.0063=.，? X?=0.00005511- 112.5266X 22AX = X； - X1 =0.0010-0.00077=0.00023A & = X2 - X2 =0.0000551-0=0.0000551AX1- AX20.00023 - 0.0000551A Xm1 =AT- =0.00023=0.0001224, R 理 可 行1n(無(wú))1r)( 0.00

18、00551)A y2 =0.0001536 , A 卜3 =0.0001853則 NOL1X1- X2 Xm10.00077 - 0 _0.000114 -6.2908 ,同理可得，NOL2 =4.3620 ,Nol3 =3.0221故：填料層高度 Z1 = Hol1 Nol1 = 0.7113 X6.2908 = 4.4746m,同理可得，Z2=3.0982m ,Z3=2.0958m以同樣方法計(jì)算另外兩組數(shù)據(jù)，求得后列總結(jié)為下表：.專業(yè)資料.L(Kmol h)Xiuf(m/s)u(m/s)D(m)Z(m)28192.19570.000770.07850.06281.34.474632529.

19、45660.000670.06750.05401.43.098239035.34790.000560.05520.04421.62.0958部分主要數(shù)據(jù)（表三）經(jīng)綜合考慮以上三種液氣比所需的設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)，最終選擇第一組。計(jì)算填料層阻力： 由此可以確定填料層高度 h=1.2 XZi=1.2 X4.4746m=5.4m2666.83042氣體質(zhì)量流速：G v =2666.8304kg/h= t=2010.1989 kg?(m2 h)507459 5226吸收劑的質(zhì)量流量：L=507459.5226 kg/h= n=382511.9833 kg?(m2 h)液體密度：pL=995.7kg/ m3氣

20、體密度：pv=9.0772 kg/ m3T 1.2110 620.967 10 2由公式P10L 得：P TL10 L=1.21X10- 6X5.4X2010 .1989 2、(9.0772-) *0.967 X10- 2X382511 .983310995.7=15085.8604pa.專業(yè)資料.、附屬設(shè)備的選擇a.液體噴淋裝置：a.1設(shè)計(jì)思路：在填料塔內(nèi)液體的分布對(duì)對(duì)操作起著非常重要的作用，即使選擇了合適的填料，如果液體分布不良，必然減小填料的有效潤(rùn)濕表面，減小氣液兩相的有 效接觸面積，直接影響塔的分離效率。為了減少由于液體不良分布引起的放 大反應(yīng)，充分發(fā)揮填料的效率，必須在填料塔中安裝液

21、體分布裝置，把液體 均勻地分布于填料層頂部液體初始分布的質(zhì)量不僅影響填料的傳質(zhì)效率，而且還會(huì)對(duì)填料的操作彈性產(chǎn)生影響。所以塔頂噴淋裝置的設(shè)計(jì)既要要求結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，又要將液體均勻地噴灑在填料上，操作時(shí)本上不宜賭賽不產(chǎn)生過(guò)細(xì)的 霧滴。且由于操作塔徑為1.3m,故采用盤(pán)式液體分布器。a.2設(shè)計(jì)計(jì)算：a.2.1液體進(jìn)出口管徑：液體進(jìn)出管接口 ： dL 巧匚,L= 18819.1957 = 509.6510m3/h,UL995 7由于是泵輸送，所以取Ul= 2.5 m?s則:/4L兀ul/ 4X509.65103.14 X2.5X3600=0.2686 m.專業(yè)資料.按照熱軋無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)(GB8163-8

22、7),液體進(jìn)出管接口尺寸?299mm X15mm ,無(wú)縫鋼管?299mm X15mm 的內(nèi)徑：d = 299 - 15 X2 = 269mm ,校驗(yàn)液體進(jìn)出管接口速度液體在管中的實(shí)際流速=2.4923 m?s,4X509 .65103600 x3 .14x0 .269 2故選用？299mm x 15mm鋼管a.2.2分布板直徑：分布板直徑 Di=0.8 X1.3m=1040mma.2.3分布板開(kāi)孔數(shù)：且液體流量:L=0.1416m3/s TOC o 1-5 h z 流量系數(shù)0.6盤(pán)上小孔直徑d0 0.008m 113板上減體局度H - D -m66L0.1416貝好L數(shù)：n=-2- = = =

23、22790.785gH 斯0785 /.0.0082*.9.81*?其結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示:.專業(yè)資料.加3。0盤(pán)式液體分布器篩孔式（圖2）.專業(yè)資料.GasasaacaQOO Q oddHMQddqoaau 口口口口CCCC DcinDln 01010 噴頭俯視圖（圖3）b,填料支撐板：填料支撐裝置的作用是支撐塔內(nèi)的填料和塔上的持液量，同時(shí)又能保證氣液兩相順利通過(guò)。支撐板應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕能力。柵板式支撐裝置是有豎立的扁鋼條焊接而成。扁鋼條的間距應(yīng)為填料外徑的0.60.7倍。為防止填料從柵板條間空隙漏下，在裝填料時(shí)，先在柵板上鋪上一層孔眼小于填料直徑的粗金屬絲網(wǎng)。具結(jié)構(gòu)如圖4所示：

24、,專業(yè)資料.柵板式支撐裝置（圖4）C,氣體入口裝置：填料塔的氣體進(jìn)口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。本設(shè)計(jì)采用進(jìn)氣管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口 ，使氣 流折轉(zhuǎn)向上。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：氣體入口裝置（圖5）氣體進(jìn)出管接口直徑：dv.專業(yè)資料.303 15 X101 325VS = 4700 X 273.15 X1800= 293.6286m/s因?yàn)椴僮鲏毫镻=1800KN/m 2,屬高壓操作，則uv取20m/s,/口/ 4 X293 .6286行：dv=4.14 X3600 X20 = 0 0721m液體進(jìn)出管接口 ： dL4LUl且，L18 X28192

25、 .1957995 .7=509.6510m 3/h取 UL=2.5m/s得：d L = 4LL UL/ 4 X509.65103.14 X2.5X3600 = 0.2686 m由枇工原理上冊(cè)附錄知：按照熱軋無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)(GB8163-87 ),氣體進(jìn)出管接口尺寸選(|)83mm X5mm ;液體進(jìn)出管接口尺寸 小299mm X15mm校驗(yàn)氣體進(jìn)出管接口速度：氣體進(jìn)出管接口尺寸選？83mm X5mm,選擇驗(yàn)算：？83mm X5mm無(wú)縫鋼管的內(nèi)徑：d=83-5 X2 = 73mm氣體在管中的實(shí)際流速：Uv=兀dv4X293.6286-3.14x0.0732x3600 = 19.49 76 m?S

26、校驗(yàn)液體進(jìn)出管接口速度：液體在管中的實(shí)際流速：4L4X509.6510-3600 x3 ,4x0.2692 = 24923 m ?s,d.封頭：封頭為壓力容器的主要受壓元件，此處采用橢圓形封頭，其由半個(gè)橢球和具有一定高度的圓筒形殼體組成，此圓筒形殼體高度一般稱為直邊高度設(shè)置直邊高度的目的是為了避免在封頭和圓筒形殼體相交的這一結(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)焊縫，從而避免焊縫邊緣應(yīng)力問(wèn)題。在制造難以程度上，由于橢圓形封頭的深度較淺，沖壓成形較易，是目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的中低壓容器的封頭形式。如圖6.專業(yè)資料.封頭結(jié)構(gòu)圖（圖6）由 祀工原理課程設(shè)計(jì)導(dǎo)論JB1154-73查表知：當(dāng)塔徑 D=1.3m 時(shí)，h=40mmm

27、m , H=325mm泵的選擇：由小299mm X15mm, ul = 2.4923m ,鼠=0.8007 X10-3Pa?s算得雷諾數(shù):Re= U叱0.269 X2.4923 X995 .7-30.8007。10=833703查枇工原理（上冊(cè)）P65表2.3得新的無(wú)縫鋼管的絕對(duì)粗糙度0.2 mm。dL0.2藪=0.00074查祀工原理（上冊(cè)）P64圖2.13得0.017且取塔高 Z=4.5+1.5+0.325 X2=6.65m取l 15m取局部阻力系數(shù)0.17 0.75 2 1.67LX1828192 .1957 X18q =Fv 3600 L995.7 X3600=0.1416m3/s.專

28、業(yè)資料.Hl =熱？?+詢2，其中K5總 2gd216二2d116 -_d2,2d管壁相當(dāng)于管徑很小，所以d2 =di = 0.269m因此得Hl2qv+ 6.65 +/ - 2X 0.1416(1800- 101 .325)X1000995 .7X9.81一 ,一一 158X (O.017X0-269-+1.67)=180.6153mHa=HLX1.1 = 180.6153 X1.1 =198.6768m所以選擇ZA200-400A型離心泵：揚(yáng)程203 mH2。，流量850m9.81 X3.14 X0.269?h第四章設(shè)計(jì)結(jié)果概要主要符號(hào)說(shuō)明（如表4）:T 溫度，cP壓強(qiáng)，KPa ；E 亨利

29、系數(shù)，KPa;m 相平衡常數(shù)，無(wú)因次；L吸收液室 kmol/hV 工體里u 空塔速度，m/s ;uF液泛速度，m/s ;at填料層的有效傳質(zhì)比表面積aw 填料層的潤(rùn)滑比表面積 m2m(m2m 3)3；kL 液膜吸收系數(shù)m/h;Hl 液相傳質(zhì)單兀圖度，m;.專業(yè)資料.填料因子，m-1 ;修正系數(shù)，g-重力加速度,kg/（m2.h）;無(wú)因次NL 液相傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次；d 填料直徑，m ；G惰性氣體流量，kmol/h傷度kg/ m 3符號(hào)說(shuō)明（表4）主要數(shù)據(jù)匯總（如表5）設(shè)計(jì)名稱水吸收水煤氣混合物中的二氧化碳的填吸收呀操作條件操作溫度30 C操作壓力1800 KN/m 2物料衡算數(shù)據(jù)YiY2XiX

30、2進(jìn)塔氣相流里進(jìn)塔液相流量0.12230.00630.000770209.8214kmol/h28192.1957kmol/h工藝數(shù)據(jù)塔徑填料層高度填料HolNol1.3m4.5m塑料鮑爾環(huán)環(huán)Dg380.71136.2908填料塔附屬設(shè)備液體噴淋裝置填料支承板氣體入口裝置封頭泵盤(pán)式液體分布器柵板式支撐裝管式分布結(jié)構(gòu)橢圓形ZA200-400A 型離心泵.專業(yè)資料.置主要數(shù)據(jù)匯總（表五）參考文獻(xiàn)：張洪沅.化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論.成都科技大學(xué)出版社.1991.4朱家驊,葉世超,夏素蘭等.化工原理.科學(xué)出版社.2005.6匡國(guó)柱，史啟才.祀工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社.2002.1王國(guó)勝.化工原理課程設(shè)計(jì).大連理工大學(xué)出版社.2005.2 陳英南，劉玉蘭.迎用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì).華東理工大學(xué)出版社.